INGENIERÍA / INNOVACIÓN EN MATERIALES

IDRIOS FOTOVOLTAICOS

Nota Nº 009

Publicamos a continuación, tres enfoques distintos para tratar que los vidrios sean más eficientes en la captación de luz solar y su transformación en energía fotovoltaica.

Sabemos que la energía fotovoltaica es un medio realmente eficaz para producir, a través del sol, electricidad directa para un edificio, sin apenas mantenimiento, sin contaminación y sin agotamiento de materiales. No obstante, y tal como citábamos en nuestro post sobre este tipo de energía, una de las limitaciones que tiene es que, el espacio que necesitamos para colocar los paneles y obtener la energía que necesitamos, es en la mayoría de los casos, mucho mayor que el que nos proporciona la cubierta.

¿Cómo podríamos aumentar el espacio donde colocar los paneles solares? Los especialistas en este tipo de energía, junto a los diseñadores e innovadores en Europa, Japón y los Estados Unidos han empezado a explotar formas creativas de incorporar la electricidad solar en la arquitectura, comenzando así a surgir un nuevo lenguaje, propio de la arquitectura eléctrica solar.

Integración de elementos fotovoltaicos

Así, hablamos de un Sistema Fotovoltaico Integrado en Edificios, o Sistema BIPV (Building Integrated Photovoltaics) para referirnos a la integración de un elemento fotovoltaico en el propio edificio como una parte de él. Se trata de la integración de módulos fotovoltaicos en la envolvente del edificio, principalmente en cubierta o fachada, para cumplir una doble función; como material envolvente de construcción sobre el edificio convencional y como un sistema generador de energía

Pero no solamente se puede integrar en fachada o en cubierta, sino también en elementos auxiliares como pérgolas, lucernarios, o, como publicamos hace un año en este blog en un suelo fotovoltaico transitable. Es, precisamente, la empresa española Onyx Solar , fabricante de ese suelo la que vuelve hoy a llamar nuestra atención ya que ha desarrollado una avanzada tecnología de vidrio BIPV.

Funcionamiento del vidrio fotovoltaico

Pero nos preguntamos, ¿cómo es posible que un vidrio tenga propiedades fotovoltaicas? Las células solares fotovoltaicas producen energía al absorber fotones (luz solar) y convertirlos en electricidad. Por ello, si un material es transparente toda la luz visible pasaría a través de él y no podría realizar esa función. No obstante, en la luz hay algo más que fracción visible: está el ultravioleta que nos pone morenos (e incluso nos quema si nos descuidamos) y el infrarrojo que no vemos, pero sí sentimos en forma de calor. Una célula solar que utilice fundamentalmente el ultravioleta y/o el infrarrojo y sólo parcialmente el visible, generaría electricidad y resultaría parcialmente transparente (tanto más cuanto menor sea su uso de la fracción visible de la luz solar).

La antes citada compañía abulense, Onyx Solar, utiliza dos tipos de tecnología para el vidrío: las llamadas células solares a-Si, de silicio amorfo, utilizado habitualmente en las fachadas, y las células solares c-Si de silicio cristalino utilizadas en pérgolas, cubiertas y lucernarios.

El vidrio fotovoltaico de silicio amorfo, colocado en ventanas o en la envolvente del edifico, actúa como los paneles solares transformando la energía del sol en electricidad. Se trata de un vidrio realizado en tres capas. La primera capa esta provista de un semiconductor transparente, la segunda es una deposición de silicio amorfo, y la tercera contiene una deposición de aluminio. Con esto, se logra atrapar al fotón (partícula portadora de la radiación solar) para que genere energía eléctrica.

La configuración del grosor del cristal, así como el grado de transparencia del mismo van a determinar el coeficiente de ganancia solar y el de transmitancia térmica. Con la posibilidad de llegar a grandes formatos de hasta 4x 2metros en multitud de colores, el vidrio se personaliza para adaptarse a las necesidades de cada proyecto.

Este vidrio ofrece distintos grados de transparencia. Lógicamente, cuanto más transparente es el vidrio, menos energía generará.

Para la tecnología a-Si la potencia, o el vatio pico (Wp) referida a una radiación de 1.000 vatios por cada metro cuadrado, será:

• Vidrio Opaco, sin visión, 58Wp/m²
• Vidrio con una visión del 10%, 40Wp/m²
• Vidrio con una visión del 20%, 34Wp/m²
• Vidrio con visión del 30%, 28Wp/m²

Para la tecnología c-Si, dependerá del tipo de celdas, así como del número de celdas por metro cuadrado pudiendo llegar hasta casi 165Wp/m²

Iniciativas similares

Muchas otras empresas como la americana Ubiquitous Energy  o la griega Brite Solar también apuestan por desarrollar productos de vidrio fotovoltaico que pueden ser integrados en la edificación.

Otra prueba de la integración de la tecnología solar en la arquitectura son las ventanas inteligentes desarrolladas por un grupo de investigadores de la Universidad de Princeton, liderados la profesora de Ingeniería Química Yueh-Lin Loo, mediante la aplicación de una nueva tecnología de células solares.

No se trata de las llamadas “ventanas inteligentes” que funcionan a través de un interruptor que, dependiendo del grado de humedad en el ambiente, desencadena un proceso químico que modula la opacidad a la ventana. En esta aproximación, tal y como escribió  Sharon Adarlo, integrante del equipo de la profesora Loo, la ventana inteligente contiene una serie de polímeros electrocrómicos que controlan el grado de opacidad del cristal de manera que, dependiendo de la intensidad de luz solar ultravioleta recibida, se genera una carga eléctrica en la célula solar que provoca una reacción que hace cambiar el color del cristal de azul claro a azul oscuro, llegando a bloquear más del 80% de la luz.

La importancia de esta investigación es que, además, han desarrollado una versión flexible inalámbrica que consiste en unas láminas adhesivas para aplicar en las ventanas ya existentes de manera que se podrá controlar de forma dinámica, mediante un teléfono móvil, la cantidad de luz natural y calor que pueda entrar para reducir el consumo de calefacción o refrigeración en la vivienda.

Sin duda queda mucho recorrido hasta que este vidrio fotovoltaico sea más eficiente, pero es una gran noticia la cantidad de proyectos que ya están utilizando estos materiales.

Vidrio fotovoltaico: una energía limpia y transparente.

 La paradoja fundamental de la energía es que se encuentra en todas partes y, sin embargo, el ser humano siempre ha tenido que devanarse los sesos para poder generarla y transmitirla. Torpemente al principio, con la yesca y el pedernal que le permitían obtener el fuego, y de manera más sofisticada después, con la turbina de vapor, que convertía el calor en energía cinética y finalmente en electricidad. Se podría decir que el indicador fundamental del desarrollo técnico de una civilización es su eficiencia energética. El gran salto viene dado ahora por las energías renovables y, a su vez, por la descentralización de la producción, como vaticinaba Jeremy Rifkin. 

Imagina ahora un mundo en el que todos los objetos están conectados a internet y todas las superficies son susceptibles de generar electricidad. Un futuro así es completamente posible en parte gracias a tecnologías como el vidrio fotovoltaico, que aplica la filosofía de internet de las cosas a la producción eléctrica. Una evolución que llevará a cada ciudadano a ser un prosumer eléctrico, es decir, a consumir y producir electricidad al mismo tiempo. Los primeros pasos se están dando en el campo de la electricidad fotovoltaica integrada en edificios, principalmente en ventanas y lucernarios. Sin embargo, el camino hacia los móviles con pantallas fotovoltaicas o incluso el mobiliario urbano (marquesinas, bancos) capaz de alimentar pantallas o recargar baterías ya está abierto. Una de las soluciones más revolucionarias en este sentido serían las carreteras solares.

¿CÓMO FUNCIONA EL VIDRIO FOTOVOLTAICO?

La tecnología del vidrio fotovoltaico utiliza un revestimiento fotosensible para el cristal, que puede ofrecer diversos grados de transparencia, y que sirve para transformar en electricidad la energía solar que recibe. Una de las empresas más avanzadas del sector sería la estadounidense New Energy Technologies, que ha desarrollado un líquido fotovoltaico aplicable a cualquier superficie transparente de forma prácticamente invisible. Esta proeza se logra filtrando la radiación ultravioleta e infrarroja imperceptible para el ojo humano a través de un concentrador solar transparente luminiscente (TLSC). La compañía norteamericana promete una rentabilización de la inversión en el plazo de un año de acuerdo con estudios independientes, aunque el lanzamiento a gran escala no se producirá hasta 2017 como pronto.

“El vidrio fotovoltaico promete cambiar radicalmente el panorama energético.”

Sin embargo, en el aquí y el ahora, hay una empresa española puntera en el sector. Se trata de Onyx Solar, fundada en 2009 y con base en la provincia de Ávila. Desde este rincón castellanoleonés ha protagonizado una vertiginosa internacionalización, convirtiéndose en el líder mundial en la producción de vidrio fotovoltaico integrado en edificaciones. Actualmente cuenta  con oficina en Nueva York,   más de 70 proyectos ejecutados en 25 países, y 30 prestigiosos premios internacionales obtenidos, que avalan su trayectoria. Suyo fue el primer suelo fotovoltaico del mundo, instalado en la universidad George Washington (Virginia).

Onyx Solar se ha especializado en soluciones a medida para cada proyecto, y en estos momentos fabrica vidrios con alto nivel de transparencia, y de diferentes colores y tamaños. Estos vidrios filtran la radiación ultravioleta (hasta un 99%) y la infrarroja (hasta un 95%), por lo que además de generar electricidad y aislar térmicamente el edificio, protegen de posibles radiaciones dañinas y permiten generar interesantes retornos financieros. Junto con el suelo fotovoltaico, entre sus soluciones constructivas se encuentran los lucernarios, los muros cortina, las fachadas ventiladas, las marquesinas, los aparcamientos y el mobiliario urbano. Esta última aplicación es especialmente llamativa, puesto que técnicamente permitiría cargar el teléfono móvil en un banco mientras uno está sentado al fresco.

Toda la experiencia y las tecnologías de Onyx Solar se dan cita en el proyecto The Autonomous Office, una iniciativa financiada con fondos europeos y que pretende demostrar la viabilidad de un edificio de oficinas energéticamente autónomo. En esta misma línea, la empresa abulense también está colaborando en el proyecto europeo R2Cities, cuyo objetivo es alcanzar ciudades de coste energético cero por medio de soluciones como el vidrio fotovoltaico.

Junto con la pintura fotovoltaica a partir del material de moda –el grafeno– el vidrio fotovoltaico promete, pues, cambiar radicalmente el panorama energético. Las lunas de los vehículos del futuro podrían utilizar vidrios fotovoltaicos o incluso, por qué no, las mismísimas gafas con las que quizá estés leyendo este artículo.

Fuentes: Extreme Tech, Yuba Solar, Xataka.  

Vidrios fotovoltaicos, la generación de energía desde nuestras ventanas

Por

 Celeste Lemos

 Investigadores lograron un récord de eficiencia del 8% en esta variante de la solar que podría revolucionar a las renovables. 

Power Window, Fuente: Physee

En el esfuerzo de aprovechar al máximo cada superficie que recibe energía solar, un grupo de investigadores alcanzó un nuevo récord de eficiencia en vidrios fotovoltaicos: paneles transparentes que generarían energía desde nuestras ventanas y que podrían revolucionar el futuro de las renovables.

Estos vidrios generadores podrían sustituir las ventanas de nuestros autos, de nuestras viviendas, de las fachadas de los edificios comerciales e incluso podrían instalarse en las pantallas de los teléfonos celulares.  De esta forma, aumentaríamos el potencial solar de las ciudades, sobretodo de aquellas que no disponen de terrazas o espacios disponibles para captar este recurso. 

Nuevo récord de eficiencia

Un equipo de investigadores de diversas Universidades de Estados Unidos y China, ya ha logrado un nuevo récord de eficiencia para las células solares transparentes de color neutro. Se viene trabajando hace unos años, donde la eficiencia de las células anteriores fueron del 2-3%. Actualmente se ha alcanzado un 8,1% de eficiencia y un 43,3% de transparencia con un diseño orgánico basado en carbono en lugar del silicio convencional. 

Los vidrios de los edificios tienen la característica de presentar un recubrimiento para reflejar y absorber parte de la luz para reducir el brillo y el calor en el interior. En lugar de desperdiciar esa energía, los paneles solares transparentes la aprovechan. Por medio de pequeñas moléculas orgánicas capaces de absorber determinadas longitudes de onda de la luz solar que son invisibles para el ojo humano se puede lograr esta generaciòn solar. 

Uno de los propulsores de este tema es Stephen Forrest, Profesor de ingeniería Química y Ciencia de los Materiales que comentan en una nota de la Universidad de Michigan: “Las ventanas, que se encuentran en la fachada de todos los edificios, son un lugar ideal para las células solares orgánicas porque ofrecen algo que el silicio no puede, que es una combinación de una muy alta eficiencia y una muy alta transparencia visible.”

Asimismo, Yongxi Li, científico investigador asistente en ingeniería eléctrica e informática comentó: “El nuevo material que desarrollamos y la estructura del dispositivo que construimos tuvieron que equilibrar múltiples compensaciones para proporcionar una buena absorción de la luz solar, alto voltaje, alta corriente, baja resistencia y transparencia de color neutro, todo al mismo tiempo”.

Los investigadores de la Universidad de Michigan estiman que solo Estados Unidos tiene entre 5 y 7 mil millones de metros cuadrados de superficie de vidrio en la actualidad. Con toda esta superficie de vidrio a cubrir, la tecnología de paneles solares transparentes tiene el potencial de satisfacer alrededor del 40% de la demanda anual de energía del país. Este potencial es casi el mismo que el de la energía solar convencional que se utiliza en techos y terrazas. Si estas dos tecnologías se implementan de manera complementaria, podría ayudar a satisfacer casi el 100% de las necesidades de electricidad de Estados Unidos.

Componentes de la célula solar

El nuevo material es una combinación de moléculas orgánicas diseñadas para ser transparentes en el visible y absorber en el infrarrojo cercano, una parte invisible del espectro que representa gran parte de la energía de la luz solar. 

Además, los investigadores desarrollaron recubrimientos ópticos para aumentar tanto la energía generada por la luz infrarroja como la transparencia en el rango visible, dos cualidades que generalmente compiten entre sí.

[Los residuos del futuro: ¿Qué pasará con los paneles solares?]

Las células solares transparentes se miden por su eficiencia de utilización de la luz, que describe cuánta energía de la luz que llega a la ventana está disponible como electricidad o como luz transmitida en el lado interior. 

Forrest y su equipo están trabajando en varias mejoras a la tecnología, con el objetivo de alcanzar mayores eficiencias de utilización de la luz con niveles altos de transparencia y extender la vida útil de la celda. También están investigando los aspectos económicos de la instalación de ventanas de células solares transparentes en edificios nuevos y existentes.

Estado actual

Lo interesante además, es que estos vidrios solares no solo generan energía, sino también generan importantes ahorros en climatización debido a sus cualidades aislantes reduciendo el consumo energético, tal como promueven las empresas Onyxsolar y Ubiqd

El fabricante europeo Physee ha introducido un producto avanzado llamado Power Window, en el cual ha instalados más de 28.000 metros cuadrados de un edificio de un banco holandes. 

También el  Instituto Canario Superior de Estudios tiene un sistema de lamas de vidrio fotovoltaico de silicio amorfo integrados verticalmente en la fachada. Se trata de un vidrio triple laminado de casi 3 metros de largo y medio metro de ancho, que cuenta con un grado de transparencia medio y que ha sido combinado con vidrios inactivos, para dotar al edificio de una estética singular.

Entre otros beneficios de este nuevo desarrollo, se encuentran su flexibilidad. Si bien la tecnología se encuentra en una etapa inicial, tendría el potencial de adaptarse a aplicaciones comerciales o industriales aprovechando sus fachadas con un costo asequible. No obstante el costo inicial en la carpintería de la edificación podría llegar a incrementarse, estaría generando suficiente energía para abastecer parcial o totalmente el consumo del edificio. 

Investigación Equipo de Dolmen